Microbiome & Metabolomics

Hui Wu, PHDSchools of Dentistry and Medicine 

University of Alabama at BirminghamEmail: hwu@uab.eduPhone#: 205‐996‐2392

Outline

•Microbe rules the world  •Microbial product matters•Examples of microbiome in health and  disease

•Examples of metabolites in health and disease

Microbial infection and systemic disease 

CardiovascularComplications

Pregnancycomplication

Respiratoryinfection

Colon cancer

Healthy Mouth

Healthy Body

Complex microbial communities‐dental plaque

Microbes are everywhere 

10 % human cells 90 % microbial cells

Genetic info > 100

Who are they?What are they doing?How is the host responding?What maintains the equilibrium? How do we differ?How can we manipulate microbes?

The Human Microbiome Project

• Microbial components of the human genetic and metabolic landscape, and how they contribute to health and disease

• The genomes of microbial symbionts provide traits that humans did not need to evolve on their own

• Humans, a composite of microbial and human cells• Human genetic landscape dictated by the genes in the human genome and the microbiome

• Human metabolic features, a blend of human and microbialtraits

A human ‘supraorganism’

Nature 449, 804‐810, 2007 

The Human Genome Project

The project funded by the US government in 1990, and declared complete in 2003. 

A parallel project by the Celera Genomics in 1998. Capacity‐3 billion bps

Major advance in DNA sequencing

versus  the Human Microbiome Project

Microbiome Analysis‐microbial profiling/genomics

PCR with bar coded primers specific for 16S rDNA region for amplification

Plaque or saliva 

>GCACCTGAGGACAGGCATGAGGAA… >GCACCTGAGGACAGGGGAGGAGGA… >TCACATGAACCTAGGCAGGACGAA… >CTACCGGAGGACAGGCATGAGGAT… >TCACATGAACCTAGGCAGGAGGAA… >GCACCTGAGGACACGCAGGACGAC… >CTACCGGAGGACAGGCAGGAGGAA… >CTACCGGAGGACACACAGGAGGAA… >GAACCTTCACATAGGCAGGAGGAT… >TCACATGAACCTAGGGGCAAGGAA… >GCACCTGAGGACAGGCAGGAGGAA… 

Metagenomics

Human Microbiome Project

Structure, function & diversity of the healthy human microbiome, Nature, 2012, 486, 207

Transcriptomic Analysis‐gene expression profiling

Plaque or saliva 

MicroarrayRNA‐sequencing

Data extraction and processing

Removal of primers

Add bar coded primers, DNA synthesis 

RNA isolation

Proteomic Analysis‐protein profiling

Plaque or saliva 

RPLCMS/MS

Quantitative proteomics by spectral counting Protein preparation

Integration of Multi”Omics” 

Biological samples

Microbiome

Networking pathwaysfor metabolites

Microbiomes impact behaviors

Fighting microbes or Farming microbes?

Microbiomes impact behaviors

Sharon, et. al., Proc Natl Acad Sci U S A. 2010,107(46):20051‐6.

cuticular hydrocarbon sex pheromonesLactobacillus plantarum strain IMAU:10272 

the hologenome theory of evolution 

• .

Microbiomes impact behaviors

Various volatile compounds 

Individuals 

Distinct microbiome

PLoS One. 2011;6(12):e28991Poorly attractive

highly attractive

PLoS One. 2010 Dec 30;5(12):e15829

Do metabolites matter???

Microbiome and Carbohydrate Metabolism

• Carbohydrates: humans and bacterial nutrients• Human and mammals: disaccharides and starches• Microbes: complex polysaccharides by Carohydrate‐active enzymes: glycoside hydrolases, carb esterases, glycosyltransferases and polysaccharide lyases

• Biogeographical distribution of microbiome/ genes/pathways such as simple Carb transport PTS small intestine>colon

• Probing  microbe altered pathways in the development of metabolic disorders in humans   

Microbiome and Fatty Acids Metabolism

Front Immunol. 2015 Feb 18;6:61.

Microbiome and Atherosclerosis

Nature. Apr 7, 2011; 472: 57–63. 

Flavin monooxygenases(FMOs)

TAMO

Circulation. 2017 Mar 14;135:1008-1010.

Inhibition of trimethylamine production by microbiome for the treatment of atherosclerosis

Cell. 2015 Dec 17;163(7):1585-95.

Obesity and Cancer: a Microbial Connection

deoxycholic acid (DCA) Nature. 2013 Jul 4;499:97‐101

hepatic stellate cells (HSC)

hepatocellular carcinoma(HCC) 

senescence‐associated secretory phenotype (SASP)

Obesity and Cancer: a Microbial Connection

deoxycholic acid (DCA)Nature. 2013 Jul 4;499:97‐101

Gut Bacteria  and the Workings of Our MindsOf HumansMRI scans to look at the brainsthe types of bacteria in their guts 

Of MiceChanges gut microbiota alter mouse behavior Bold to timid, brain‐derived neurotrophic factor

Probiotics alters brain activityGastroenterology, 144, 1394–1401. June 2013Cell, 155,1451–63, 19 December 2013 

Gut Bacteria & Healthful Chocolate 

Cocoa powder(polyphenols and Fibers)

Smaller moleculesshort fatty chain acids

2014 American Chemical Society meeting

Gut Microbes and Your Weight

Slimming gut microbes?

Microbe transplants from obese humans 

Science, , 6 September 2013: 341(6150)

When do our microbiome established?

Antibiotic use and growth promotion in farming animals

The Use of Antibiotics prescriptions 

Obesity Among U.S. Adults by State and Territory

2014

Increased body fat by the use of antibiotics

Increased body fat by the use of antibiotics

‐

+

Cho I et. al., Nature. 2012 Aug 30;488(7413):621‐6.

Dysbiosis in Gut  and Obesity

Cox et al., Cell 158, 705–721, August 14, 2014 

Antibiotics in Infancy and Early Childhood Obesity

• 69% of children exposed to antibiotics before end of first year• Increase in the antibiotics use associated with increased risk to obesity 

• Asthma and wheezing also predicted obesity 

Bailey et al., JAMA Pediatr. Published online September 29, 2014

Antiseptic Mouthwash and Blood Pressure

• Bacteria in the mouth reduce nitrates to nitrites 

• Nitrite reduced to NO– relaxes vessels and lowers blood pressure

• Antiseptic mouthwash reduced oral nitrite production by 90% and plasma nitrite levels by 25% (p<0.001) 

• Systolic and diastolic blood pressure increased by 2–3.5 mm Hg 

Kapil et al., Free Radic Biol Med. Feb 2013; 55(C): 93–100. 

The nitrate‐ and nitrite‐reducing capacity of oral bacteria

Hyde ER, et. al., PLoS One. 2014 Mar 26;9(3):e88645.

Oral bacteria in systemic conditions

Fusobacterium nucleatum

Fusobacterium & Colon Caner 

Fusobacterium nucleatum

Kostic AD et. al., Cell Host Microbe 2013, 14:207-15. Rubinstein MR et. al., Cell Host Microbe. 2013, 14:195-206. Castellarin M et. al., Genome Res. 2012, 22:299-306. Kostic AD et. al., Genome Res. 2012, 2:292-8.

Whole-genome analysis of the colorectal cancer microbiome

Genome Res. 2012;22:292-298

FusobacteriumStreptococcusAggregatibacter

Bacterial abundance in colon cancer

Castellarin M et al. Genome Res. 2012;22:299-306

Fusobacterium nucleatum

Cell Host Microbes, 2013Cell Host Microbes, 2014

Fusobacteria

Bacteria and Colorectal Cancer

New FindingsBacterial biofilms and cancer connection

Right colon Left colon right colon adenoma

microbial structural organization contributes to disease progression?Dejea, CM, et. al., Proc Natl Acad Sci U S A. 2014,111(51):18321-6.

Singh N et.al.  Activation of Gpr109a by the commensal metabolite butyrate, suppresses colonic inflammation and carcinogenesis.Immunity. 2014 ,40(1):128‐39. 

Elangovan S et. al.,  The niacin/butyrate receptor GPR109A suppresses mammary tumorigenesis by inhibiting cell survival. CancerRes.2014,74:1166. 

Butyrate

Microbial Metabolism Drives Transformation of Colon Epithelial Cells(Msh2‐deficient)

Gut microbiota induce colon cancerin MSH2‐deficient mice

Reduced dietary carbohydrates decreases polyp frequency in APCMin/+MSH2−/− mice

Butyrate induces colon cancer in APCMin/+MSH2−/− mice

Genetic background matters!Diet

Microbiota

Metabolites

Host & Host factors(Health and Disease)

Complex Interactions

What’s next?• Presence in the tumor environment • Progression of tumor and bacterial infection• Role in tumorigenesis via inflammation mechanisms• Tumor diagnostics

• Fusobacterium biomarkers • Bacterial cancer therapy

Microbiome‐ and metabolites‐targeted Therapies 

Microbiome & metabolites……

TranscriptomicsProteomics  MetabolomicsGlycomics

Microbes rule the world 

Cocoa powder(polyphenols and Fibers)

Smaller moleculesshort fatty chain acids

2014 American Chemical Society meeting